KR100394443B1 - Method and apparatus for backing-up oxy-fuel combustion with air-fuel combustion - Google Patents
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Abstract
본 발명은 산소의 공급이 갑자기 감소되거나 중단되는 경우에 산소-연료 연소 장치의 연소를 지속시키는 방법과 장치에 관한 것이다. 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기와 연료는 가열되는 장치로 도입되어 여기서 산소-연료 혼합물이 연소되고 로의 가열 수준이 유지된다. 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 모드에서 작동하는 경우에 배기 가스의 체적을 감소시키기 위해 로 가스의 수냉이 이루어진다.The present invention relates to a method and apparatus for sustaining combustion of an oxy-fuel combustion device when the supply of oxygen is suddenly reduced or stopped. Air or oxygen enriched air and fuel are introduced into the apparatus to be heated where the oxygen-fuel mixture is combusted and the heating level of the furnace is maintained. When operating in air or oxygen enriched air mode, water cooling of the furnace gas takes place to reduce the volume of the exhaust gas.
Description
본 발명은 금속, 유리, 세라믹 소재 등의 다양한 제품을 위한 공업용 용융로에서 고온을 발생하기 위한 산소-연료(oxy-fuel)의 연소 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 연소와, 산소-연료 연소법에서 산소의 이용 가능성이 감소하거나 혹은 중단되는 경우에도 연소를 지속시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for the combustion of oxy-fuel for generating high temperatures in industrial melting furnaces for various products such as metals, glass, ceramic materials and the like. In particular, the present invention relates to combustion and methods and apparatus for sustaining combustion even when the availability of oxygen in the oxygen-fuel combustion method is reduced or stopped.
유리 용융과 같은 공업 프로세스에서 산소-연료 버너를 사용함으로써 로의 설계자는 화염 운동량, 유리 용융 범위 및 화염 복사 특성을 변경시킬 수 있게 된다. 그러한 버너와 연소법의 예로서 미국 특허 제5,256,058호, 제5,346,390호, 제5,547,368호 및 제5,575,637호를 들 수 있으며, 이들 특허는 참고로서 본 명세서의 내용을 이룬다.The use of oxygen-fuel burners in industrial processes such as glass melting allows the furnace designer to change the flame momentum, glass melting range and flame radiation properties. Examples of such burners and combustion methods include US Pat. Nos. 5,256,058, 5,346,390, 5,547,368, and 5,575,637, which are hereby incorporated by reference.
유리 제조에서 산소-연료의 연소를 이용하는 매우 효과적인 하나의 방법 및 장치는 스테이지식(staged) 연소와 관련되어 있는데, 그 내용은 미국 특허 제5, 611,682호에 기재되어 있으며, 참고로서 본 명세서의 내용을 이룬다.One very effective method and apparatus for the combustion of oxygen-fuel in glass making is related to staged combustion, the content of which is described in US Pat. No. 5,611,682, which is incorporated herein by reference. To achieve.
1990년대 초에 유리 제조업자는 로를 공기-연료의 연소에서 산소-연료의 연소로 전환하기 시작하였다. 산소 농도가 약 30%에 달하도록 증가되는 경우에 몇 가지 공기-연료계의 산소 농후화가 이루어졌다. NOx 오염 물질을 형성할 가능성이 증가되는 이유로 인하여 더 높은 40 ~ 80% 범위의 산소 농도는 이용되지 않는다. 산소가 90 ~ 100%의 농도로 존재하는 경우에 산소-연료의 연소를 이용하는 것이 사용자에게 경제적으로 더욱 유리한 것으로 밝혀졌다.In the early 1990s, glass manufacturers began to convert furnaces from combustion of air-fuel to combustion of oxygen-fuel. Oxygen enrichment of several air-fuel systems occurred when the oxygen concentration increased to about 30%. Higher oxygen concentrations in the 40 to 80% range are not used because of the increased likelihood of forming NOx contaminants. It has been found to be more economically advantageous for the user to use combustion of oxygen-fuel when oxygen is present at a concentration of 90-100%.
수많은 대형의 산소-연료 로에는 공지의 극저온 또는 진공 스윙 흡착 기법을 이용하여 현장에서 생성된 산소가 공급된다. 현장에서 생성되는 산소의 공급을 지원하는 유일한 방법으로서 액화 산소의 재고를 현장에 유지하는 것은 통상적이며 현재까지 그러한 방식이 이루어지고 있다. 따라서, 현장의 산소 발생 설비가 프로세스상의 문제 또는 정규의 유지 보수로 인하여 오프라인으로 되는 경우에, 산소-연료의 연소를 위한 산소의 공급에 액체 산소의 재고를 이용하게 된다. 현장에서 생성되는 산소를 지원하는 이러한 방법은 액체 형태로 산소를 저장하는 대용량의 절연된 탱크와, 산소-연료 프로세스로 사용하기 위해 액체 산소를 기체 산소로 변환시킬 수 있는 증발기를 요한다. 큰 공기 분리 설비로부터 현장으로 액체 산소를 운반하는 데 트럭을 이용하는 것이 통상적이다. 액체 산소의 지원을 현장의 산소 생성 시스템과 동시에 이용하는 것은, 사용자가 중단 없이 산소-연료 프로세스를 지속시킬 수 있게 된다. 예를 들어, 전술한 특허에 개시된 것들 중의 하나와 같은 산소-연료 연소 장치는 지원 시스템을 갖춘 현장 생성 시스템의 장점을 취하게 된다.Many large oxygen-fuel furnaces are supplied with field-generated oxygen using known cryogenic or vacuum swing adsorption techniques. Maintaining an inventory of liquefied oxygen on site as the only way to support the supply of oxygen generated on site is common and has been done so far. Thus, when an on-site oxygen generator goes off line due to process problems or regular maintenance, the inventory of liquid oxygen is used to supply oxygen for combustion of the oxygen-fuel. This method of supporting on-site oxygen production requires a large insulated tank for storing oxygen in liquid form and an evaporator capable of converting liquid oxygen into gaseous oxygen for use in an oxygen-fuel process. It is common to use trucks to transport liquid oxygen from large air separation facilities to the site. Using the support of liquid oxygen simultaneously with the on-site oxygen generation system allows the user to continue the oxygen-fuel process without interruption. For example, an oxy-fuel combustion device such as one of those disclosed in the above patents takes advantage of an on-site production system with a support system.
현재까지, 액체 산소의 재고를 갖춘 산소-연료 유리 로를 지원하는 것은 문제가 있는 것으로 생각되지 아니하였다. 그러나, 복수의 로가 있는 현장에서 더 많은 로를 변환하고, 더 많은 산소를 사용하는 평판 유리 로 혹은 부양식(float) 유리 로에서 산소-연료의 연소를 사용하는 경우에, 액체 산소의 지원은 그 저장 탱크와 증발기의 설비 비용이 높다는 이유 때문에 사용자에게 중대한 관심사였다. 비용 문제에 더하여, 액체 산소를 현장으로 운반하는 것과, 액체 산소를 생성하는 데 이용되는 근처의 공기 분리 설비로부터 즉각 이용 가능한 액체 산소를 충분히 확보하는 것과 관련된 보급 업무의 문제가 생긴다. 원거리에 있는 사용자 측으로의 액체 산소를 운송하는 것도 매우 어렵고 곤란한 문제이다.To date, supporting oxygen-fuel glass furnaces with a stock of liquid oxygen has not been considered problematic. However, when converting more furnaces in the field with multiple furnaces and using combustion of oxygen-fuel in flat glass or float glass furnaces that use more oxygen, the support of liquid oxygen is The cost of the installation of the storage tank and the evaporator was of great concern to the user. In addition to cost concerns, there are problems with the supply task associated with transporting liquid oxygen to the site and ensuring sufficient liquid oxygen readily available from nearby air separation facilities used to generate liquid oxygen. Transporting liquid oxygen to remote users is also a very difficult and difficult problem.
통상적으로, 유리 로를 공기-연료 방식에서 산소-연료 방식으로 전환하는 경우에, 재생기 및 공기 공급 시스템과 같은 열 회수 장치가 제거된다. 사용자에게 있어서, 산소-연료 방식으로 전환하는 동기 중의 하나는 열 회수 장치를 제거하는 데 따르는 설비 비용의 감소이다. 산소-연료 버너의 구조로 인하여, 현재 사용되는 통상의 연소 장치에서 단순히 산소를 공기로 대체하는 것만으로는 로를 운전할 수 없다. 산소-연료 버너에서 공기를 이용하여 등가량의 함유 산소를 공급하는 데 따르는 압력의 필요 조건은 매우 높고 값비싼 공기 공급 시스템을 필요로 한다. 더욱이, 몇 가지 산소-연료 버너는 등가의 발화 속도로 연소시키는 경우에 음속류에 의해 제한된다.Typically, when converting the glass furnace from air-fuel mode to oxygen-fuel mode, heat recovery devices such as regenerators and air supply systems are removed. For the user, one of the motivations for switching to the oxy-fuel mode is the reduction in the installation costs associated with removing the heat recovery device. Due to the structure of the oxy-fuel burner, it is not possible to operate the furnace simply by replacing oxygen with air in the conventional combustion equipment used today. The pressure requirements for supplying an equivalent amount of containing oxygen using air in an oxygen-fuel burner require very high and expensive air supply systems. Moreover, some oxygen-fuel burners are limited by the speed of sound when combusting at equivalent firing rates.
산소 공급이 감소되거나 중단되는 산소-연료의 연소를 이용하는 경우에, 통상의 기법은 로를 "고온 유지(hot hold)"라 불리는 상태로 유지하는 것이다. 고온 유지는 생산이 중단된 상태에서 유리가 응고되지 않도록 로를 고온으로 유지하는 것이다. 유리가 응고되는 것을 방치하면 로가 심각하게 손상된다. 몇몇 회사는 냉각된 로를 수리한 후에 가열하는 것을 전문으로 하고 있다. 이들은 로의 온도를 최초로 상승시키는 데 특별히 고안된 공기-연료 버너를 이용한다. 산소 공급이 중단되는 경우에, 고온 유지를 위하여 충분히 가열하는 데에 동일한 버너가 이용될 수 있다. 이 과정에서 제조를 위한 어떠한 특별한 온도 프로파일도 시도되지 않았으며, 이들 장치에 의해 도달하는 최고 온도는 약 2200℉가 될 수 있다. 이 온도는 유리 제조에 충분하지 않고 유리 생산자에 의해 이용되는 최소한의 사양이다. 유리 생산자가 유리를 제조하지 못하는 데 따르는 손실은 유리 제조 라인의 후공정의 중단뿐만 아니라 제품 판매 시기를 놓친다는 측면에서도 크다.In the case of using combustion of oxygen-fuel, where the oxygen supply is reduced or stopped, a conventional technique is to keep the furnace in a state called "hot hold." High temperature holding is to keep the furnace at a high temperature so that the glass does not solidify while production is stopped. If the glass is left to solidify, the furnace is seriously damaged. Some companies are specializing in heating after repairing a cooled furnace. They use air-fuel burners specially designed to raise the temperature of the furnace for the first time. If the oxygen supply is interrupted, the same burner can be used to heat up sufficiently to maintain high temperature. No special temperature profile for manufacturing has been attempted in this process, and the maximum temperature reached by these devices can be about 2200 ° F. This temperature is not sufficient for glass manufacture and is the minimum specification used by glass producers. The loss of glass producers from failing to manufacture glass is significant in terms of not only stopping the post-process of the glass manufacturing line but also missing product sales.
따라서, 산소의 이용 가능성이 감소 또는 중단된 경우에도 유리 제조에 이용되는 로에서의 생산을 유지하기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이 확실히 요구된다.Therefore, there is a clear need to provide a method and apparatus for maintaining production in a furnace used for glass production even when the availability of oxygen is reduced or stopped.
도 1은 종래의 스테이지식 연소 장치의 개략적 사시도이고,1 is a schematic perspective view of a conventional staged combustion device,
도 2는 도 1의 선 2-2에서 취한 단면도이고,2 is a cross-sectional view taken on line 2-2 of FIG. 1,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 개략적 사시도이고,3 is a schematic perspective view of a device according to the invention,
도 4는 도 3의 장치의 버너 블럭 또는 예비 연소기의 정면도이고,4 is a front view of the burner block or precombustor of the apparatus of FIG. 3,
도 5는 0의 생산량으로부터 최대 생산량까지의 조건에서의 표준화된 산소 유량에 대한 표준화된 메탄 유량의 선도이고,5 is a plot of normalized methane flow rate versus normalized oxygen flow rate at conditions from zero yield to maximum yield,
도 6은 도 5의 생산 속도에서의 표준화된 산소 유량에 대한 산소 농도의 선도이고,FIG. 6 is a plot of oxygen concentration versus normalized oxygen flow rate at the production rate of FIG. 5,
도 7은 몇개의 생산 속도에서의 표준화된 산소 유량에 대한 표준화된 배기 가스 유량의 선도이고,7 is a plot of normalized exhaust gas flow rate versus standardized oxygen flow rate at several production rates,
도 8은 0의 생산량으로부터 최대 생산량까지의 생산 속도에서의 산소 유량에 대한 공기로 희석된 후의 표준화된 배기 가스 유량의 선도이고,8 is a plot of normalized exhaust gas flow rate after dilution with air for oxygen flow rate at production rate from zero yield to maximum yield,
도 9는 0의 생산량으로부터 최대 생산량까지의 로의 생산량에서의 표준화된 산소 유량에 대한 물로 희석된 후의 표준화된 배기 가스 유량의 선도이다.FIG. 9 is a plot of the normalized exhaust gas flow rate after dilution with water for the standardized oxygen flow rate at the furnace output from zero yield to maximum yield.
본 발명은 유리 용융 로와 같은 공업용 로에서의 생산량을 유지하는 데에 산소의 농후화 여부에 관계없이 이용될 수 있는 것으로서, 공기-연료 연소 장치로 산소-연료 연소 장치를 지원하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 산소-연료, 공기-연료 또는 산소가 농후하게 된 공기-연료 모드에서의 운전을 가능하게 하는 장치가 안출되었다. 본 발명에 따른 버너에는, 공기-연료 모드로 운전하는 경우에 버너 전체를 통하여 용인될 만한 압력 강하가 있는 산소-연료 모드의 매우 낮은 속도로의 운전과 관련된 독특한 특징이 있다. 본 발명에 따른 버너는 프로세스를 실시하는 데 산소의 농후화를 이용할 수 있다.The present invention can be used with or without enrichment of oxygen to maintain production in industrial furnaces, such as glass melting furnaces, and to provide a method and apparatus for supporting an oxygen-fuel combustion apparatus with an air-fuel combustion apparatus. It is about. According to the present invention, a device has been devised that allows operation in an oxygen-fuel, air-fuel or oxygen-enriched air-fuel mode. The burner according to the invention has a unique feature associated with operation at very low speeds of the oxygen-fuel mode with an acceptable pressure drop throughout the burner when operating in the air-fuel mode. Burners according to the invention may utilize the enrichment of oxygen in carrying out the process.
본 발명에 따르면, 미국 특허 제5,611,682호에 기재된 것과 같은 종래의 버너 블럭은 연소 장치를 산소-연료 연소 모드 또는 공기-연료 연소 모드의 양 모드 사이에서 연소 장치가 신속하게 전환시킬 수 있는 산소-연료 연소 또는 공기-연료 연소를 위해 사용될 수 있다. 본 발명에 따르면, 산소 공급 문제가 발생하는 경우에, 산소-연료 버너는 꺼지고 단락되어, 버너 블록에 연결되는 동일한 구성의 공기-연료 지원 버너로 대체된다. 공기-연료 지원 시스템으로 인하여, 사용자는 용융 공정에 사용되고 있었던 이전의 공기-연료 시스템으로부터의 공기 공급 시스템을 계속 사용하거나 공기 송풍기가 지원 시스템의 일부로서 제공될 수 있다. 본 발명에 따른 공기 연료 버너는 산소-연료 버너보다 실질적으로 큰 속도로 연소할 수 있어야 한다.According to the present invention, conventional burner blocks such as those described in US Pat. No. 5,611,682 allow the combustion apparatus to quickly switch the combustion apparatus between an oxygen-fuel combustion mode or an air-fuel combustion mode. It can be used for combustion or air-fuel combustion. According to the invention, in the event of oxygen supply problems, the oxygen-fuel burner is turned off and shorted out and replaced by an air-fuel assisted burner of the same configuration which is connected to the burner block. The air-fuel support system allows the user to continue to use the air supply system from the previous air-fuel system that was being used for the melting process or to provide an air blower as part of the support system. The air fuel burner according to the invention should be able to burn at a substantially higher rate than the oxygen-fuel burner.
따라서, 본 발명은 그 일면으로서 산소-연료의 연소를 이용하여 상승된 온도로 로를 고온으로 가열해 두기 위한 방법에 관한 것으로, 화염용 및 산화제용의 산소 공급이 제거되거나 중단되는 경우에, 산소-연료 화염이 상기 로에 도입되고, 산화제(oxidizer) 스트림이 상기 산소-연료 화염 아래로 도입되며, 상기 방법은, 산소가 연소를 위한 유일한 산화제인 경우의 버너 발화 속도를 대략 유지하는 속도로 도입되는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나로 화염을 대체하는 단계와, 상기 화염의 밑으로 도입되는 산화제를 상기 연료와 대체하여 연소가 이루어지고 상기 로 내의 온도를 유지하는 단계로 이루어진다.Accordingly, the present invention relates to a method for heating a furnace at an elevated temperature using combustion of oxygen-fuel as one aspect thereof, in which case oxygen supply for flame and oxidant is removed or stopped. A fuel flame is introduced into the furnace, an oxidizer stream is introduced below the oxygen-fuel flame, and the method is introduced at a rate that maintains approximately the burner firing rate when oxygen is the only oxidant for combustion. Replacing the flame with one of air or oxygen enriched air, and replacing the oxidant introduced under the flame with the fuel to combust and maintain the temperature in the furnace.
또 다른 측면에서, 본 발명은 화염을 생기게 하는데 적합한 산소-연료 버너로서 이 버너에 부착한 예비 연소기를 갖춘 산소-연료 버너를 구비하는 타입의 연소 장치에 관한 것으로, 여기서 상기 예비 연소기에는 버너의 화염측 단부에 대해 유밀 관계에 있는 제1 단부와 공업용의 환경에서의 가열을 위해 버너에 의해 생기는 화염을 유도하는 데 적합하고 대략 평평한 팬형 구조의 제2 단부를 갖는 제1 통로와, 제1 통로의 밑으로 그리고 같은 영역을 차지하여 배치된 예비 연소기 내의 별개의 제2 통로로, 화염 밑에서 일반적으로 화염에 대하여 평행하게 산화용 유체를 유도하기 위해 예비 연소기의 제2 단부에 있어서 노즐 단부에서 종단되는 제2 통로를 구비하며, 상기 연소 장치는, 화염 대신에 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기 중의 하나를 버너를 통과시켜 예비 연소기로 도입하기 위한 제1 수단과, 산화용 유체 대신에 연료를 예비 연소기의 별개의 제2 통로로 도입하기 위한 제2 수단을 포함하고, 이로써 상기 연소 장치는 산소의 공급이 감소하거나 중단되는 경우에도 상기 공업용의 환경을 계속 가열할 수 있다.In another aspect, the invention relates to a combustion apparatus of the type comprising an oxygen-fuel burner with a pre-combustor attached to the burner as an oxygen-fuel burner suitable for generating a flame, wherein the pre-combustor has a flame of burner. A first passage having a first end in a hermetic relationship to the side end and a second end of a substantially flat fan-shaped structure suitable for inducing flame generated by the burner for heating in an industrial environment; A second, separate passage in the precombustor disposed underneath and occupying the same area, the terminating end of the nozzle end at the second end of the precombustor for directing the oxidizing fluid under the flame, generally parallel to the flame; It has two passages, and the combustion device passes through the burner one of air or oxygen enriched air instead of a flame. First means for introducing fuel into the precombustor, and second means for introducing fuel into a separate second passage of the precombustor instead of the oxidizing fluid, whereby the combustion device reduces or stops the supply of oxygen. Even if it becomes, the said industrial environment can be heated continuously.
또 다른 측면에서, 본 발명은 로에서 배출되는 배기 가스를 액체의 물로 냉각함으로써, 본 발명의 방법과 장치에 따라 가열되는 로의 배기 가스 체적을 줄이는 것을 고려한다.In another aspect, the present invention contemplates reducing the exhaust gas volume of the furnace heated according to the method and apparatus of the present invention by cooling the exhaust gas exiting the furnace with liquid water.
본 발명의 또 다른 측면으로서, 본 발명은 산소-연료의 연소를 대신해서 공기-연료의 연소를 이용하여 공업용 환경의 가열을 유지하여, 필요로 하는 레벨의 가열을 하는데 충분한 체적이 되도록 하여 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 상기 환경중으로 도입하는 것에 관한 것이다. 이러한 측면에서 배기 가스의 수냉은 배기 가스 체적을 낮추는 데 유리한 것이 된다.As another aspect of the present invention, the present invention utilizes the combustion of air-fuel in place of the combustion of oxygen-fuel to maintain heating in the industrial environment, such that air or air is sufficient to provide the required level of heating. The present invention relates to introducing air enriched with oxygen into the environment. In this respect, water cooling of the exhaust gas is advantageous for lowering the exhaust gas volume.
본 발명은 공기-연료의 가열 장치로 산소-연료 가열 장치를 지원하는 방법과 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 공기-연료의 지원 장치는 공기의 산소 농후화에 관계없이 작동할 수 있다. 본 발명에 따른 버너는, 적어도 2개의 별개의 모드, 예컨대 산소-연료 또는 공기-연료 모드의 운전을 가능하게 한다. 이 버너의 또 다른 특징은 산소-연료 모드에서 매우 낮은 속도로 운전되어 공기의 산소 농후화와 관계없이 공기-연료 모드에서 운전하는 경우에 버너에서의 압력 강하가 용인할 만한 것으로 되게 해주는 것이다. 본 발명의 목적상 산소-연료의 연소는 산소가 80 내지 100 체적%로 연소되는 것을 의미한다. 산소의 농후화는 산소의 농도가 22 내지 80 체적%의 범위에 드는 것을 의미한다.The present invention relates to a method and apparatus for supporting an oxy-fuel heating device with an air-fuel heating device. According to the invention, the air-fuel support device can operate regardless of the oxygen enrichment of the air. The burner according to the invention enables the operation of at least two separate modes, such as oxygen-fuel or air-fuel mode. Another feature of this burner is that it operates at very low speeds in oxygen-fuel mode, making the pressure drop in the burner acceptable when operating in air-fuel mode irrespective of oxygen enrichment of the air. For the purposes of the present invention combustion of oxygen-fuel means that oxygen is combusted at 80 to 100% by volume. Oxygen enrichment means that the concentration of oxygen is in the range of 22 to 80% by volume.
본 발명에 따르면, 산소-연료에서의 운전이나 혹은 공기-연료에서의 운전 중에 동일한 버너 블럭 또는 예비 연소기를 사용하여, 연소 장치를 하나의 모드에서 다른 모드로 신속하게 전환하는 것을 가능하게 할 수 있다. 이용자가 산소 공급의 문제를 직면하는 경우에 있어서, 산소-연로 버너는 꺼지고 단락되어, 버너 블럭에 동일하게 연결된 공기-연료 지원 버너로 대체된다. 공기-연료 지원 시스템을 이용하면, 유리 제조자는 산소-연료의 연소로의 전환 전에 그 공기 공급 시스템을 존재한 상태로 유지하거나, 송풍기가 지원 시스템의 일부로서 공급될 수 있다. 공기-연료 지원 버너는, 지원 받는 산소-연료 버너의 발화 속도보다 실질적으로 더 높을 속도로 연소할 수 있는 것이 중요하다.According to the invention, it is possible to quickly switch the combustion device from one mode to another, using the same burner block or precombustor during operation in oxy-fuel or in air-fuel. . In the case of a user facing the problem of oxygen supply, the oxygen-fuel burner is turned off and shorted out and replaced by an air-fuel assisted burner connected equally to the burner block. Using an air-fuel support system, the glass manufacturer can keep the air supply system present before conversion of the oxygen-fuel to combustion, or the blower can be supplied as part of the support system. It is important that the air-fuel assisted burner can burn at a rate substantially higher than the rate of ignition of the supported oxygen-fuel burner.
공기-연료 지원 버너는 질소를 가열하고 배출하는 데 따른 부가의 에너지 손실이 있기 때문에 보다 큰 발화 속도를 필요로 한다. 더욱이, 지원 시스템에서 연소를 위해 사용되는 공기는 통상 예열되어 있지 않으므로 통상의 공기-연료 로에 비해 로의 효율이 감소된다. 단순화한 열역학 계산에 따르면, 예열되지 않은 공기를 연소에 사용하는 경우에는 연료의 발화 속도를 높일 필요가 있다. 이러한 예에서의 가정은, 연료와 산소가 지나친 산소 없이 또한 중간 생성물을 남기지 않고 완전히 반응하는 것, 모든 가스(예를 들어, 메탄, 공기 또는 산소)는 77 ℉로 로에 도입된다는 것, 그리고 모든 가스는 완전 연소 후에 2800 ℉로 로에서 배출된다는 것이다. 이러한 조건하에서, 이용할 수 있는 동일한 열을 유지하기 위해서는, 공기로 발화하는 경우의 발화 속도는 100%의 산소로 발화하는 경우의 발화 속도의 2.65배일 필요가 있다. 이용할 수 있는 열은 로에서 가열 손실을 충당하도록 피처리물 (charge)에 전해지는 에너지이다.Air-fuel assisted burners require greater ignition rates because there is additional energy loss from heating and releasing nitrogen. Moreover, the air used for combustion in the support system is usually not preheated, so the efficiency of the furnace is reduced compared to conventional air-fuel furnaces. Simplified thermodynamic calculations show that when unheated air is used for combustion, it is necessary to speed up the ignition of the fuel. The assumption in this example is that fuel and oxygen react completely without excess oxygen and leave no intermediates, all gases (eg methane, air or oxygen) are introduced into the furnace at 77 ° F., and all gases Is the exhaust from the furnace at 2800 ° F after complete combustion. Under these conditions, in order to maintain the same heat available, the rate of ignition when ignited with air needs to be 2.65 times the rate of ignition when ignited with 100% oxygen. The heat available is the energy delivered to the charge to cover the heat losses in the furnace.
따라서, 산화제의 총 체적 유량은 산소의 유량이 감소함에 따라 상당히 증가된다. 산화제 스트림의 체적은 질소가 더해짐으로 인하여 4.76배로 증가하고 더 높은 발화 속도에 대한 요구로 인하여 2.65배 증가한다. 이는 산소를 완전히 공기로 대체하는 경우에 산화제 스트림의 유량이 약 12.6배 증가한다는 것을 의미한다.Thus, the total volume flow rate of the oxidant increases significantly as the flow rate of oxygen decreases. The volume of the oxidant stream increases by 4.76 times due to the addition of nitrogen and by 2.65 times due to the demand for higher firing rates. This means that when oxygen is completely replaced by air, the flow rate of the oxidant stream increases by about 12.6 times.
산소-연료 버너 조립체에서 공기-연료 연소를 이용하는 데 있어서 주된 관심사는 더 높은 가스 체적 요구를 충족하는 데 요구되는 공기의 공급 압력이다. 본 발명은 낮은 속도의 산화제계를 이용한다. 따라서, 공기-연료 모드에서 발화하는 경우에도 압력 강하는 상대적으로 저렴한 공기 송풍기의 사용이 가능할 정도로 충분히 작고, 산소-연료의 발화의 경우에 사용되는 것과 동일하거나 또는 그것보다 큰 버너의 발화 속도를 유지한다. 이로써 유리를 용융하는 자와 같은 사용자가 산소의 공급의 긴급한 손실 또는 중단시에 지원 모드로 운전하는 경우에 생산의 계속을 가능하게 한다.A major concern in using air-fuel combustion in oxy-fuel burner assemblies is the supply pressure of air required to meet higher gas volume requirements. The present invention utilizes a low rate oxidant system. Thus, even when firing in the air-fuel mode, the pressure drop is small enough to allow the use of a relatively inexpensive air blower and maintains the firing rate of the burner which is equal to or greater than that used in the case of ignition of oxygen-fuel. do. This enables the continuation of production when a user, such as a person who melts the glass, is operating in support mode in case of an urgent loss or interruption of the oxygen supply.
버너의 임의의 지점에서 산화제의 속도가 약 90 ft/sec 보다 빠른 산소-연료 버너의 설계는, 최대한의 생산량에서 산화제로서 공기가 사용되는 경우에 해당하는 발화 속도에서 음속으로 제한된다. 음속은 a =에 의해 정해지는데, 여기서 k는 비열비(공기는 1.4), R은 기체 상수(287 J/㎏K)이고, T는 절대 온도이다. 25 ℃(77 ℉)의 공기에서 음속은 346 m/sec(1135 ft/sec)이다. 산소 속도가 100 ft/sec인 산소-연료 버너에서 공기를 이용하는 경우에 해당하는 유량은 그 량의 12.6배, 혹은 1260 ft/sec로 음속보다 크다. 따라서, 음속의 제한을 회피하기 위해서는, 버너 조립체의 어떠한 부품의 변경도 없이 산소를 완전히 공기로 대체하고자 하는 경우에는, 산소-연료 버너는 산소의 속도가 90 ft/sec 미만이 되도록 설계되어야 한다. 별법으로서, 이러한 제한은 운전 모드의 전환을 행할 때 버너 본체를 변경하는 본 발명의 일 측면에 따라 회피할 수 있다. 버너 블럭은 공기-연료 운전 중에 외관상의 속도가 음속 미만이 되도록 설계되어야 한다.The design of an oxy-fuel burner in which the rate of oxidant at any point of the burner is higher than about 90 ft / sec is limited to the speed of sound at the rate of ignition that corresponds to the case where air is used as the oxidant at maximum yield. The speed of sound is a = Where k is the specific heat ratio (air is 1.4), R is the gas constant (287 J / kgK), and T is the absolute temperature. In air at 25 ° C (77 ° F), the speed of sound is 346 m / sec (1135 ft / sec). The flow rate corresponding to the use of air in an oxygen-fuel burner with an oxygen velocity of 100 ft / sec is 12.6 times its volume, or 1260 ft / sec, greater than the speed of sound. Thus, in order to avoid the limitation of the speed of sound, the oxygen-fuel burner should be designed such that the rate of oxygen is less than 90 ft / sec when oxygen is to be completely replaced by air without changing any part of the burner assembly. Alternatively, this limitation can be avoided in accordance with one aspect of the present invention, which changes the burner body when switching between operating modes. The burner block must be designed so that the apparent speed is below the speed of sound during air-fuel operation.
특히 산화제의 통로를 통한 12.6배의 체적 유량으로 정격 발화 용량의 2.65배로 운전하는 통상의 산소-연료 버너에서는 화염의 형상도 중요하다. 후술하는 본 발명의 실시예는 산소-연료 및 공기-연료 운전의 양자에 적절한 화염 형상을 제공한다.The shape of the flame is also important, especially in conventional oxygen-fuel burners operating at 2.65 times the rated firing capacity at a volume flow rate of 12.6 times through the passage of the oxidant. Embodiments of the invention described below provide flame shapes suitable for both oxygen-fuel and air-fuel operations.
따라서, 산화제 공급 압력, 속도 제한, 화염 형상과 관련된 문제가 본 발명에 따라 극복된다. 본 발명의 발명자들은 미국 펜실베니아주의 알렌타운에 소재하는 에어프로덕츠 앤드 케미칼스 인코포레이티드가 제공하는 클린화이어 에이치알(Cleanfire HR)이라는 버너를 변경하고 동일한 버너 블럭을 이용하여 사용자가 산소-연료 발화를 공기-연료 발화로 전환하는 것이 가능하다는 사실을 발견하였다.Thus, problems associated with oxidant supply pressure, rate limiting, flame shape are overcome according to the present invention. The inventors of the present invention modify a burner called Cleanfire HR provided by Air Products and Chemicals Inc. of Allentown, Pennsylvania, USA and use the same burner block to allow the user to It has been found that it is possible to switch to air-fuel firing.
도 1을 참조하면, 스테이지식(staged) 연소 장치(10)에는 산소-연료 버너(12)와 예비 연소기 또는 버너 블럭(14)이 포함되어 있다. 산소-연료 버너(12)에는 화살표 18로 표시한 천연 가스와 같은 연료를 받아들이는 중앙 도관 (16)이 포함되어 있다. 화살표 20으로 표시한 산소 공급원은 연료 도관(16)과 외측 동심의 도관(22) 사이의 통로로 도입된다. 버너는 미국 특허 제5,611,682호에 상세하게 기재되어 있는데, 그 내용은 참고로서 본원 명세서의 내용을 이룬다. 버너(12)는 버너 블럭(14)에 끼워 맞추어지고, 예비 연소기 또는 버너 블럭(14)의 제1 단부(24)에 유밀 상태로 수용되어 있다. 버너 블럭(14)에는 제1 또는 중앙 통로(26)가 포함되는데, 이 통로는 버너 블럭(14)의 제1 단부(24)로부터 배출 단부(28)로 연장되어 있다. 이 통로(26)는 전술한 '682 특허에서와 같이, 그 폭이 높이보다 크고 도시된 바와 같이 발산하는 형태로 되어 있다. 스테이지식의 연소를 위하여 화살표 30으로 나타낸 스테이지용의 산소가 버너 블럭(14)의 제2 통로(32)로 도입된다. 통로(32)의 형상은, 역시 '682 특허에 상세히 기재되고 도면에 도시된 바와 같이 중앙 통로의 형상과 상응하는 형상을 갖고 높이보다 폭이 크다.Referring to FIG. 1, a staged combustion apparatus 10 includes an oxy-fuel burner 12 and a pre-combustor or burner block 14. Oxy-fuel burner 12 includes a central conduit 16 for receiving fuel, such as natural gas, indicated by arrow 18. The oxygen source indicated by arrow 20 is introduced into the passage between the fuel conduit 16 and the outer concentric conduit 22. Burners are described in detail in US Pat. No. 5,611,682, the contents of which are incorporated herein by reference. The burner 12 is fitted to the burner block 14 and is housed in the oil-tight state in the preliminary combustor or the first end 24 of the burner block 14. Burner block 14 includes a first or central passage 26, which extends from first end 24 of burner block 14 to discharge end 28. This passage 26 is shaped to diverge as shown, with its width greater than its height, as in the '682 patent described above. Oxygen for the stage indicated by arrow 30 is introduced into the second passage 32 of the burner block 14 for staged combustion. The shape of the passage 32 has a shape corresponding to that of the central passage and is wider than the height, as also described in detail in the '682 patent and shown in the figures.
도 2를 참조하면, 예비 연소기(14)의 제1 단부(24)에서 산소-연료 버너(12)에는 산소 통로(22)에 의해 둘러싸인 중앙 연료 도관(16)을 갖춘 배출 단부가 마련되어 있다. 스테이지용의 산소는, 도 2에 도시된 바와 같이 산소-연료 화염용 통로 아래에 배치된 통로(31)에 존재한다.Referring to FIG. 2, the oxygen-fuel burner 12 at the first end 24 of the precombustor 14 is provided with a discharge end with a central fuel conduit 16 surrounded by an oxygen passage 22. The oxygen for the stage is present in the passage 31 disposed below the passage for the oxygen-fuel flame as shown in FIG.
도 3은 본 발명에 따른 연소 장치를 나타내고 있다. 연소 장치(40)에는 버너 블럭(14)이 포함되어 있는데, 이 버너 블럭은 도 1의 버너 블럭(14)과 동일한 것이다. 본 발명에 따르면, 버너(42)는 도 1의 산소-연료 버너(12)와 유사하고, 버너(42)의 상측 통로(50)로 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기가 도입되는 것을 가능하게 하기 위한 장치(44)가 구비되어 있다. 버너(42)는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 버너(42)의 통로(48)에 의해 상측의 통로(50)로 도입하는 것에도 적합한데, 여기서 통로(44, 48)로부터의 산화제가 혼합된다. 화살표 46은 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기가 장치(44)로 도입되는 것을 나타내는데, 여기서 장치(44)는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 통로(50)로 도입한다. 화살표 56은 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기가 통로(50)로 도입되는 것을 나타내고 있다. 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기는 통로(50)로부터 버너 블럭의 중앙 통로(26)로 이동하여 로를 빠져나간다.3 shows a combustion device according to the invention. The burner 40 includes a burner block 14, which is the same as the burner block 14 of FIG. According to the invention, the burner 42 is similar to the oxy-fuel burner 12 of FIG. 1, allowing air or oxygen enriched air to be introduced into the upper passage 50 of the burner 42. Device 44 is provided. The burner 42 is also suitable for introducing air or oxygen enriched air into the upper passage 50 by the passage 48 of the burner 42, where oxidant from the passages 44, 48 Are mixed. Arrow 46 indicates that air or oxygen enriched air is introduced into the device 44, where the device 44 introduces air or oxygen enriched air into the passage 50. Arrow 56 shows that air or oxygen enriched air is introduced into the passage 50. Air or oxygen enriched air moves from the passage 50 to the central passage 26 of the burner block and exits the furnace.
버너가 산소 없는 발화 또는 제한된 산소-연료 발화 상태로 전환하는 경우에는, 스테이지용의 산소의 공급(도 1에서 화살표 30으로 표시)은 화살표 54로 나타낸 연료에 의해 대체되어, 연료 또는 산소가 농후하게 된 연료가 버너 블럭(14)의 통로(32)를 빠져나간다. 버너 블럭(14)의 전방 단부의 통로(26, 32)가 도 4에 도시적으로 도시되어 있는데, 여기서 통로(26)는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 로에 도입하는 데 이용되고, 통로(32)는 연료 또는 산소가 농후하게 된 연료를 로에 도입하는 데 이용된다. 버너(42)를 공기-연료의 연소 모드로 사용하는 경우에는, 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기가 통로(26)를 흐르며, 연료 또는 산소가 농후하게 된 연료는 통로(32)를 흐른다. 버너 블럭 구조는 2개의 개구 사이의 재순환 영역으로 인하여 안정된 공기-연료 화염이 생성되게 하는 것이다.When the burner is switched to an oxygen free ignition or limited oxygen-fuel ignition state, the supply of oxygen for the stage (indicated by arrow 30 in FIG. 1) is replaced by the fuel indicated by arrow 54 so that the fuel or oxygen is enriched. The spent fuel exits the passage 32 of the burner block 14. The passages 26, 32 at the front end of the burner block 14 are illustrated in FIG. 4, where the passage 26 is used to introduce air or oxygen enriched air into the furnace, 32) is used to introduce fuel or oxygen enriched fuel into the furnace. When the burner 42 is used in the combustion mode of air-fuel, air or oxygen enriched air flows in the passage 26, and fuel or oxygen enriched fuel flows in the passage 32. The burner block structure is such that a stable air-fuel flame is produced due to the recycle zone between the two openings.
공기-연료 발화 성능에 더하여, 본 발명의 장치는 다양한 정도의 산소 농후화가 이루어지게 해준다. 산소의 농후화를 이용하는 것은 액체 산소 저장기로부터 공급되는 산소의 이용을 감소시킴으로써 지원 모드에서의 운전의 중의 융통성을 향상시킨다. 이로써 공기 흐름에 산소를 부가하여 화염의 길이를 조정할 수 있게 된다.In addition to air-fuel fire performance, the apparatus of the present invention allows for varying degrees of oxygen enrichment. Using the enrichment of oxygen improves flexibility during operation in support mode by reducing the use of oxygen supplied from the liquid oxygen reservoir. This makes it possible to adjust the length of the flame by adding oxygen to the air stream.
보충되는 산소는 다양한 방법으로 공급될 수 있다. 예를 들어, 공기는 산소가 농후하게 될 수 있고, 산소 란스(oxygen lance)는 예비 연소기(14)의 주 통로(26) 또는 스테이지용 통로(32) 양자 또는 이들 각각을 통하여 공급될 수 있거나, 혹은 별개의 산소 란스가 예비 연소기(14) 또는 스테이지용 통로(32)로부터 이격된 곳에 설치될 수 있다. 천연 가스와 함께 스테이지용 통로를 통하여 도입되는 산소는 로에서의 피처리물보다 양호한 복사 열전도를 위한 그을음을 발생하는 수단을 제공할 수 있다.The supplemented oxygen can be supplied in a variety of ways. For example, the air may be enriched with oxygen, and an oxygen lance may be supplied through both or both of the main passage 26 or stage passage 32 of the preliminary combustor 14, Alternatively, a separate oxygen lance may be installed where it is spaced apart from the precombustor 14 or the stage passageway 32. Oxygen introduced through the stage passage along with the natural gas may provide a means for generating soot for better radiant heat conduction than the workpiece in the furnace.
본 발명의 방법과 장치를 이용하면, 유리의 생산에 필요로 하는 최고 온도 및 온도 분포를 유지하는 것이 가능하게 된다. 산소의 농후화 또는 산소-연료 발화는 로의 고온 지점(hot spot) 부근에서 최고의 발화 속도를 보이도록 버너에 사용되어야 한다. 이로써 이들 버너에 요구되는 공기의 유량이 감소되고, 그리고 압력 강하가 감소된다. 또한, 산소 농후화는 피크 화염 온도를 증가시키고, 이로써 고온 지점에서의 열전도가 증가된다. 고온 지점은 유리 제조 로로서는 허용할 수 있는 품질의 유리를 생산하는 데 필요로 하는 적절한 대류 셀을 유리 용융액 중에 발생하기 위해 필요한 것임이 잘 알려져 있다.Using the method and apparatus of the present invention, it becomes possible to maintain the highest temperature and temperature distribution required for the production of glass. Oxygen enrichment or oxygen-fuel firing should be used in the burner to give the highest firing rate near the hot spot of the furnace. This reduces the flow rate of air required for these burners and reduces the pressure drop. In addition, oxygen enrichment increases the peak flame temperature, thereby increasing the thermal conductivity at high temperature points. It is well known that hot spots are necessary for the glass making furnace to generate the appropriate convection cells in the glass melt that are required to produce glass of acceptable quality.
그 밖의 공기-연료 기법이 고온 유지 조건을 유지하는 데 이용될 수 있다. 본 발명은 사용자가 생산을 계속하는 것을 가능하게 하고자 하는 것이다. 공기-연료 지원 시스템에 의해 제공되는 최소한의 발화 속도는 설계 생산 속도의 적어도 20%를 유지할 수 있는 것 같은 것이다. 이러한 생산 속도는 부양식 유리(float glass)의 제조업자가 부양조(float bath)에서 연속적인 유리 리본(glass ribbon)을 유지하기에 충분한 것이다.Other air-fuel techniques can be used to maintain hot hold conditions. The present invention is intended to enable the user to continue production. The minimum rate of ignition provided by the air-fuel support system is likely to be able to maintain at least 20% of the design production rate. This production rate is sufficient for manufacturers of float glass to maintain a continuous glass ribbon in a float bath.
고속의 산소-연료 버너는 후술하는 기법을 이용하기 위해 1개 이상의 유입 포트를 부가함으로써 저속 운전용에 맞게 수정될 수 있다. 이들 유입 포트는 평상시에는 닫히고 산소-연료 운전 중에 스테이지화 하는데 이용될 수 있다. 또한, 1개 이상의 부가의 유입 포트가 버너 포트에 가까운 위치의 내화 벽에 구멍을 드릴링함으로써 공기-연료 지원의 실행에 앞서 플라이(fly)에 부가될 수 있다.The high speed oxy-fuel burners can be modified for low speed operation by adding one or more inlet ports to use the techniques described below. These inlet ports are normally closed and can be used to stage during oxy-fuel operation. In addition, one or more additional inlet ports may be added to the fly prior to the execution of the air-fuel support by drilling holes in the fire-resistant walls located close to the burner ports.
고속 버너를 이용하는 또 다른 로의 변형례로서 압력 강하를 줄이기 위하여 버너 블럭을 큰 개구가 있는 블럭으로 대체한 것이 있다. 이 방법에 따르면 대체 과정에서 유리의 결함을 유발할 수 있는 외부의 내화 물질이 유리 용융물에 도입될 위험이 있다. 더욱이, 플라이 부분에 있어서 버너 블럭의 교체는 제조의 중단을 피할 수 없을 만큼의 상당히 긴 시간을 요한다.Another furnace variant using a high speed burner is to replace the burner block with a large opening to reduce the pressure drop. According to this method, there is a risk that foreign refractory materials are introduced into the glass melt which can cause glass defects in the alternative process. Moreover, the replacement of the burner block in the ply part requires a considerable amount of time in which the interruption of manufacturing is inevitable.
도 5는, 예를 들어 최대 생산량 조건하에서 로 벽에서의 열 손실을 충당하는 데 이용할 수 있는 열의 35%가 요구되는 것을 가정하는 경우, 고온 유지 조건(생산 속도 0), 20% 생산량, 50% 생산량 및 최대 생산량의 조건에 요하는 메탄의 유량을 나타내고 있다. 고온 유지는 이 그래프에서 나타난 것보다 낮은 발화 속도로 달성되는데, 그 이유는 로 전체의 온도가 낮아져서 벽에서의 열 손실이 감소되기 때문이다. 이 그래프는 생산 속도 또는 산소의 사용에 관계없이 열 손실이 동일하다는 가정에 기초하고 있다. 메탄의 유량은 100%의 산소-연료에서의 최대 생산량의 경우의 메탄 유량을 기준으로서 표준화되어 있고, 산소의 유량은 100%의 산소-연료에서의 최대 생산량의 경우의 산소 유량을 기준으로서 표준화되어 있다. 표준화된 산소 유량은 모든 연소용 산화제가 산소 공급원(공기 없음)에 의해 공급되는 경우에 1.0이고, 모든 연소용의 산화제가 공기에 의해 공급되는 경우에는 0이다.FIG. 5 assumes that 35% of the heat available to cover heat losses at the furnace walls, for example under maximum yield conditions, is required at high temperature conditions (0 production rate), 20% yield, 50% The flow rate of methane required for the conditions of yield and maximum yield is shown. Hot hold is achieved at lower firing rates than shown in this graph, because the temperature throughout the furnace is lowered, which reduces heat loss at the wall. This graph is based on the assumption that the heat losses are the same regardless of the production rate or the use of oxygen. The flow rate of methane is standardized based on the methane flow rate for the maximum yield in 100% oxygen-fuel, and the flow rate of oxygen is normalized based on the oxygen flow rate for the maximum yield in 100% oxygen-fuel have. The normalized oxygen flow rate is 1.0 when all combustion oxidants are supplied by an oxygen source (no air) and zero when all combustion oxidants are supplied by air.
도 6은 도 5에 도시된 각각의 생산 속도에 대한 표준화된 산소 유량의 함수로서의 산소 농도에 상응하는 선도이다.FIG. 6 is a plot corresponding to oxygen concentration as a function of normalized oxygen flow rate for each production rate shown in FIG. 5.
도 5의 점 A로 나타낸 바와 같이, 연소용 산화제로서 공기만을 이용한 고온 유지(표준화된 산소 유량은 0)에서의 메탄 유량은 100%의 산소-연료에서의 최대 생산량(표준화된 값은 1과 같다)에 요하는 것과 대략 동일하다. 고온 유지는 최대 생산량에서의 산소 유량의 35%에 있어서, 최대 생산량에서의 메탄 유량의 35%로 유지할 수 있다(점 B). 도 6을 참조하면, 점 B로 나타낸 운전 조건은 공기 희석 없이 100%의 산소-연료에 상응한다.As indicated by point A in FIG. 5, the methane flow rate at high temperature holding (only standardized oxygen flow rate is 0) using only air as the oxidant for combustion is the maximum yield (standardized value is 1) at 100% oxygen-fuel. Roughly the same as Hot hold can be maintained at 35% of the oxygen flow rate at maximum yield, at 35% of the methane flow rate at maximum yield (point B). Referring to FIG. 6, the operating conditions indicated by point B correspond to 100% oxygen-fuel without air dilution.
도 5는 산소 유량과 메탄 유량이 최대 생산량의 20%를 생산하기 위해서는 각각 반으로 감소될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이는 만일 생산량을 최대 생산량의 20%로 제한하면, 저장 산소의 공급을 2배 길게 계속할 수 있는 것을 의미한다. 도 6에 따르면, 이는 100%의 산소-연료의 연소에 해당한다.5 shows that the oxygen flow rate and the methane flow rate can each be reduced by half to produce 20% of the maximum yield. This means that if the output is limited to 20% of the maximum yield, the supply of stored oxygen can be continued for twice as long. According to FIG. 6 this corresponds to the combustion of 100% oxygen-fuel.
50%의 생산량에서, 산소 유량은 최대 생산량의 유량의 반으로 감소할 수 있고, 메탄의 유량은 최대 생산량의 유량의 약 95%이 된다. 도 6에 따르면, 이 운전 조건의 경우의 산소 농도는 약 35%가 된다.At 50% yield, the oxygen flow rate can be reduced to half the flow rate of the maximum yield, and the flow rate of methane is about 95% of the flow rate of the maximum yield. According to Fig. 6, the oxygen concentration in this operating condition is about 35%.
산소-연료 로로부터의 배기 가스 온도는 열 회수 장치 뒤에 있어서 대응하는 공기-연료 로로부터의 것보다 더 높다. 따라서, 유리 제조업자는 가스가 금속으로 제작된 배기 시스템의 영역으로 들어가지 전에 몇 가지 방법에 의해 산소-연료 연소 생성물의 온도를 감소시켜야 한다. 작금의 공기 오염 규제로 인하여, 유리 로의 연료 가스 처리에는 정전식 집진기 또는 백 하우스와 같은 입자 제거 장치가 포함된다. 이들 장치의 최고 운전 온도는 1000℉ 로 산소-연료 로의 배기 온도보다 상당히 낮다. 따라서, 배가 가스는 이들 장치에 도입되기 전에 저온(주위 온도)의 희석 공기에 의해 냉각되어야 한다.The exhaust gas temperature from the oxy-fuel furnace is higher than that from the corresponding air-fuel furnace behind the heat recovery device. Therefore, glass manufacturers must reduce the temperature of the oxy-fuel combustion products by several methods before the gas enters the area of the exhaust system made of metal. Due to the current air pollution regulations, fuel gas treatment in glass furnaces includes particle removal devices such as electrostatic precipitators or bag houses. The maximum operating temperature of these devices is significantly lower than the exhaust temperature to oxy-fuel at 1000 ° F. Therefore, the doubling gas must be cooled by low temperature (ambient temperature) dilution air before it is introduced into these devices.
만일 산소-연료 연소용으로 설계된 로에서 공기가 연소용 산소를 대체한다면, 배기 가스의 체적은 실질적으로 증가한다. 도 7은 몇 가지 생산 속도에 대해 공기가 산소를 대체함에 따라 배기 가스의 유량이 얼마나 증가하는지를 나타내고 있다. 이들 도면을 작성하는 데에는, 유입 및 유출 온도와 열 손실과 관련해서 먼저 설명한 도면에 관해서 사용한 것과 동일한 가정을 사용했다. 배기 가스의 유량은 100% 산소-연료에서의 최대 생산량의 경우의 배기 가스 유량에 대해 표준화되어 있다. 최대 생산량에 있어서, 배기 가스 유량은 산소가 공기에 의해 완전히 대체되는 경우에 9배 이상 증가된다. 공기로 산소를 완전히 대체하는 경우에, 고온 유지 조건에서는 3배 이상의 배기 가스 유량을 예상할 수 있다. 고온 배기 가스의 유량이 증가하는 결과로서, 가스가 연도 시스템의 금속제의 구획으로 들어가는 전에 온도를 동일한 레벨까지 저하시키기 위해서는 훨씬 많은 희석 공기를 준비해야 한다. 도 8은 로로부터의 2800℉의 배기 가스를 77℉의 공기로 희석하여 연도 시스템의 금속제 구획에 있어서 알맞은 온도인 1000℉의 가스 스트림으로 하는 열역학적 계산의 결과를 보이고 있다. 공기로 희석한 후의 표준화 한 배기 가스 유량이 표준화 한 산소 유량의 함수로서 나타나 있다. 배기 가스 유량은 2800℉의 배기 가스를 77℉의 공기로 희석하여 1000℉의 가스 스트림으로 하는 100%의 산소-연료에서의 최대 생산량의 경우에 관해서 표준화 되어 있다. 최대 생산량의 조건하에서 산소를 공기와 바꿔, 그리고 배기 가스를 77℉의 공기로 희석하여 1000℉의 가스 스트림으로 하면, 그 결과로서 얻어지는 배기 가스의 유량은 최대 생산량으로 산소-연료의 경우의 7.5배보다 많아진다. 연도 시스템은 압력 강하의 제한으로부터 이렇게 크게 증대한 처리량을 취급할 수 없다. 로의 압력이 상승하는 것에 따라는 구조 파괴에 이를 가능성이 있다.If air replaces combustion oxygen in the furnace designed for oxy-fuel combustion, the volume of the exhaust gas increases substantially. 7 shows how the flow rate of the exhaust gas increases as air replaces oxygen for several production rates. In making these figures, the same assumptions were used as for the previously described figures in terms of inlet and outlet temperatures and heat losses. The flow rate of the exhaust gas is normalized to the exhaust gas flow rate in the case of the maximum output at 100% oxygen-fuel. At maximum yield, the exhaust gas flow rate is increased by at least nine times when oxygen is completely replaced by air. When oxygen is completely replaced by air, an exhaust gas flow rate of three times or more can be expected at high temperature conditions. As a result of the increase in the flow rate of the hot exhaust gas, much more dilution air has to be prepared to lower the temperature to the same level before the gas enters the metal compartment of the flue system. FIG. 8 shows the results of a thermodynamic calculation of diluting 2800 ° F. exhaust gas from a furnace with 77 ° F. air to produce a gas stream of 1000 ° F. which is a suitable temperature for the metal compartment of the flue system. The normalized exhaust gas flow rate after dilution with air is shown as a function of the normalized oxygen flow rate. Exhaust gas flow rates are standardized for the case of maximum production at 100% oxygen-fuel, which dilutes 2800 ° F. exhaust gas with 77 ° F. to a 1000 ° F. gas stream. By replacing oxygen with air and diluting the exhaust gas with air at 77 ° F to a gas stream of 1000 ° F under the conditions of maximum production, the resulting flow rate of exhaust gas is 7.5 times that of oxygen-fuel at maximum production. More. Flue systems cannot handle this greatly increased throughput from the limitation of pressure drop. As the pressure in the furnace rises, there is a possibility of structural failure.
증가한 연도 가스 체적에 대처하는 데에는, 예컨대 생산량의 감소, 연소용 산소의 농후화, (예를 들어 물에 의한) 연도 가스의 냉각의 택일적 방법, 연도 가스 배출 능력의 추가, 연도 가스 처리 영역의 바이패스 또는 전술한 방법의 2가지 이상의 조합 등의 몇 가지 방법이 있다. 체적이 증가한 연도 가스를 처리하는 본 발명에 따른 양호한 방법은 수냉, 생산량의 감소 및 필요한 경우 연소용 산소의 농후화를 조합시키는 것이다.Coping with increased flue gas volume includes, for example, reduced production, enrichment of oxygen for combustion, alternative methods of cooling flue gas (eg by water), addition of flue gas discharge capacity, flue gas treatment area There are several methods, such as bypass or a combination of two or more of the aforementioned methods. A preferred method according to the invention for treating flue gas with increased volume is to combine water cooling, reduced production and, if necessary, enrichment of oxygen for combustion.
도 9는 77℉의 액상의 물로 증발 작용에 의한 직접 접촉식의 냉각을 하는 열역학적 계산의 결과를 나타내고 있다. 물로 희석한 후의 표준화된 배기 가스 유량은 표준화한 산소 유량에 대한 선도로 도시되어 있다. 배기 가스 유량은 2800℉의 배기 가스를 77℉의 공기로 희석하여 1000℉의 가스 스트림을 만드는 100%의 산소-연료에서의 최대 생산량의 경우에 관해서 표준화 된다. 이 도면은 배기 가스 스트림의 냉각 매체로서 공기 대신에 물을 사용하는 경우에 배기 가스의 체적을 최대 생산량의 산소-연료 운전에 대해 50% 감소시킬 수 있음을 나타내고 있다. 연소용 산소 대신에 공기가 이용되고 배기 가스를 냉각하는데 물을 사용하여 최대 생산량의 경우에, 배기 가스 유량은 기본적인 최대 생산량으로, 총 산소-연료의 경우의 3.6배가 된다. 산화제로서 산소 대신 공기를 이용하는 50% 생산량에 대하여, 배기 가스 스트림의 체적은 기본적인 최대 생산량에서의 총 산소-연료 경우보다 약 2.5배 커진다.FIG. 9 shows the results of thermodynamic calculations of direct contact cooling by evaporation with liquid water at 77 ° F. FIG. The normalized exhaust gas flow rate after dilution with water is shown as a plot of the normalized oxygen flow rate. Exhaust gas flow rates are normalized for the case of maximum production at 100% oxygen-fuel, which dilutes 2800 ° F. exhaust gas with 77 ° F. air to produce a 1000 ° F. gas stream. This figure shows that when using water instead of air as the cooling medium of the exhaust gas stream, the volume of the exhaust gas can be reduced by 50% for the maximum production of oxygen-fuel operation. In the case of maximum production using air instead of combustion oxygen and water to cool the exhaust gas, the exhaust gas flow rate is the basic maximum production, which is 3.6 times the total oxygen-fuel. For 50% yield using air instead of oxygen as the oxidant, the volume of the exhaust gas stream is about 2.5 times larger than the total oxygen-fuel case at the basic maximum yield.
제안된 발명에 대한 변형례는 다음과 같다. 즉. 선택 사항 1) 산소의 저장을 보다 많게 하여 100 % 산소-연료 발화를 계속하는 것, 선택 사항 2) 공기-연료 가열 버너를 이용하여 고온 유지하는 것, 선택 사항 3) 산소 대신 공기를 이용하여 높은 운동량의 산소-연료 버너로 고온 유지 또는 일부 생산하는 것. 본 발명과 선택 사항 1) 사이의 차이는 산소 사용량과 액체 산소 저장 비용이 절감된다는 것이다. 본 발명과 선택 사항 2) 사이의 차이는 생간의 계속과 비용이다. 본 발명과 선택 사항 3) 사이의 차이는 고압의 공기를 공급하는 데 따른 기술적 어려움이다.Modifications to the proposed invention are as follows. In other words. Option 1) to continue to ignite 100% oxygen-fuel firing with more oxygen storage, option 2) to maintain high temperature with air-fuel heating burner, option 3) to use high air instead of oxygen Maintaining or partially producing high-molecular-weight oxygen-fuel burners. The difference between the present invention and option 1) is that the amount of oxygen used and the cost of storing liquid oxygen are reduced. The difference between the present invention and option 2) is the duration and cost of life. The difference between the invention and option 3) is the technical difficulty of supplying high pressure air.
선택 사항 1)과 비교한 본 발명의 장점은 설비 비용이 적다는 것(액화 산소 저장 탱크가 작다는 것)이다. 또한, 현장의 산소 플랜트가 정지하고 있는 시간에 따라, 액체 산소의 보급 및 입수 가능성의 문제가 회피된다. 선택 사항 1)에 대한 본 발명의 장점은 산소 공급 라인 또는 흐름 제어 활대에 문제가 있는 경우에 기능을 다할 수 있는 점이다. 선택 사항 2)와 비교한 본 발명의 또 다른 장점은 유리 제조에 요하는 유사한 온도 프로파일을 이용하는 로에서의 최고 온도가 더 높다는 점이다. 선택 사항 2)과 비교한 본 발명의 또 다른 장점은 연속 생산이다. 가장 효과적인 프로세스는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 이용하여 최대한의 생산을 지속하는 것이다. 유리 리본을 부양조에 유지하기 위한 최소 수준의 생산이라도 매우 유용하다. 유리 리본의 자리를 다시 잡는 것은 시간이 많이 소모되고 며칠간의 제조의 지연이 발생할 수 있다. 예컨대, 하루 당 600톤을 생산하고 유리의 가격이 톤당 300달러의 평판 유리로의 경우, 하루의 생산은 180,000달러의 가치가 있다. 선택 사항 2)와 비교한 본 발명의 또 다른 이점은 지원 시스템이 소정의 개소에 있다는 것이다. 선택 사항 2)에서는 외부 회사에서 이 설비까지 와서 그들의 장비를 설치할 것을 필요로 한다. 본 발명의 또 다른 장점은 로의 내화 물질에 구멍을 뚫거나 자르거나 그 밖의 작업을 할 필요가 없다는 것이다.The advantage of the present invention over option 1) is the low installation cost (small liquefied oxygen storage tank). In addition, depending on the time when the on-site oxygen plant is stopped, the problem of the replenishment and availability of liquid oxygen is avoided. The advantage of the present invention over option 1) is that it can function in case of problems with the oxygen supply line or the flow control rod. Another advantage of the present invention over option 2) is that the maximum temperature in the furnace using similar temperature profiles required for glass making is higher. Another advantage of the present invention compared to option 2) is continuous production. The most effective process is to maintain maximum production using air or oxygen enriched air. Even minimal production to keep the glass ribbon in the brew is very useful. Repositioning the glass ribbon is time consuming and can lead to several days of manufacturing delay. For example, if you produce 600 tonnes per day and the price of glass is $ 300 per tonne of flatbed glass, your daily production is worth $ 180,000. Another advantage of the present invention compared to option 2) is that the support system is at a predetermined location. Option 2) requires an external company to come to this facility and install their equipment. Another advantage of the present invention is that there is no need to drill, cut or otherwise work on the refractory material of the furnace.
본 발명은 사용자가 공기-연료 및 산소-연료 운전용으로 상이한 버너를 사용할 수 있게 해주고, 공기-연료 및 산소-연료 버너의 공동 장착 장치를 사용할 수 있게 해주며, 그리고 공기-연료 가열 버너에 비해 높은 최고의 로 온도를 사용할 수 있도록 해준다. 본 발명의 방법은, 유리를 가공 처리하는 데 필요로 하는 로에서의 서로 유사한 온도 분포를 생기게 할 수 있고, 우선적으로 산소 농도를 증가시킴으로써 로의 고온 지점에서의 발화 속도를 보다 크게 할 수 있으며, 공기-연료 운전을 위한 도입 공기와 연료용으로 분리되고 있지만 접근하여 간격을 둔 포트의 사용을 가능하게 하여, 공기-연료 및 산소-연료 운전용의 예비연소/스테이지용 통로의 기능으로 변경하는 것을 가능하게 한다. 산소-연료 운전에 있어서, 산소와 연료 흐름의 예비 연소기로서 큰 개구가 이용되고, 산소의 스테이지화에 작은 개구가 이용된다. 공기-연료 운전에 대해서, 큰 개구는 공기 또는 산소가 농후하게 된 공기를 흘리기 위해 이용되고, 작은 포트는 우선적으로 연료용으로 이용된다.The present invention allows the user to use different burners for air-fuel and oxy-fuel operation, to use a joint mounting device of air-fuel and oxy-fuel burners, and to compare with air-fuel heated burners. It allows you to use the highest furnace temperature possible. The process of the present invention can result in similar temperature distributions in the furnaces needed to process the glass, and can increase the firing rate at the hot point of the furnace by preferentially increasing the oxygen concentration, -Separated for introduction air and fuel for fuel operation, but with the use of accessible spaced ports, which can be changed to the function of pre-combustion / stage passages for air-fuel and oxy-fuel operation Let's do it. In the oxygen-fuel operation, a large opening is used as a precombustor of oxygen and fuel flow, and a small opening is used for staged oxygen. For air-fuel operation, large openings are used to flow air or oxygen enriched air, and small ports are primarily used for fuel.
공기 또는 산소가 농후하게 된 공기와 연료를 로에 도입하기 데에 로에 배치되는 별개의 버너 블럭 또는 예비 연소기를 설치하는 것은 본 발명의 범위에 속하는 것이다. 이 모드에서 산소-연료 버너는 커지고 별개의 버너 블럭이 본 발명의 교시에 따른 연소를 이루는 데 사용된다.It is within the scope of the present invention to install separate burner blocks or pre-combustors disposed in the furnace to introduce air and oxygen enriched air and fuel into the furnace. In this mode the oxygen-fuel burner is large and a separate burner block is used to achieve combustion in accordance with the teachings of the present invention.
본 발명의 교시에 따라 공기 또는 산소가 농후하게 된 연료가 도입되는 한, 산소-연료 버너와 독립된 별개의 버너 또는 파이프를 통하여 공기와 연료를 로에 도입하는 것도 본 발명의 범위에 속하는 것이다.As long as air or oxygen enriched fuel is introduced according to the teachings of the present invention, it is also within the scope of the present invention to introduce air and fuel into the furnace through a separate burner or pipe independent of the oxygen-fuel burner.
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